Table of Contents
مقدمة إلى صناديق نقل النفايات في النظم الحرارية الأرضية
إن الطاقة الحرارية الأرضية العالية الحرارة - المستمدة من الخزانات التي تزيد حرارةها على 150 درجة مئوية - توفر مصدرا ثابتا منخفض الكربون للكهرباء والحرارة المباشرة، وتتوقف كفاءة هذه النظم وقابليتها للاستمرار اقتصاديا على سائل النقل الحراري الذي يحمل الطاقة الحرارية من أعماق الأرض إلى السطح، وقد حقق الباحثون والمهندسون خلال العقد الماضي خطوات كبيرة في تطوير سلاسل الحرارة الواعدة، وذلك في ضوء ما تحقق من تقدم كبير في مجال الطاقة الحرارية.
وتحتاج محطات توليد الطاقة الحرارية الأرضية، ولا سيما تلك التي تستخدم نظماً محسنة للحرارة الأرضية أو مستودعات حرارية عميقة، إلى وحدات تعمل ذات طاقة عالية يمكنها تحمل درجات الحرارة تتجاوز 200 درجة مئوية، وأحياناً 400 درجة مئوية أو أكثر، دون مهينة، وتزيد السوائل التقليدية مثل المياه والبخار والزيوت العضوية الاصطناعية من جودة الصناعة، ولكن قيودها أدت إلى البحث عن سوائل متغيرة.
الدور الحاسم لفلور نقل النفايات الحرارية في النظم الحرارية الأرضية
وفي محطة توليد الطاقة الحرارية الأرضية، توزع فرقة العمل الهيدرولية عبر الخزان، وتستوعب الحرارة، ثم تنقله إلى سوائل عاملة (في كثير من الأحيان دورة رنكين عضوية أو تربين البخار)، ويمكن أن يؤدي الاستقرار الحراري للسوائل، والقدرة الحرارية، والخصيص، والتوافق الكيميائي مع صخور الخزان ومواد الصداع إلى التأثير المباشر على ناتج تشغيل المحطة وتكاليف تشغيلها.
وبالإضافة إلى توليد الطاقة، تستخدم أيضاً صناديق HTFs عالية الحرارة في تطبيقات الاستخدام المباشر مثل تدفئة المناطق، والجفاف الصناعي، وتدفئة غازات الدفيئة، وفي هذه الظروف، يجب أن يحافظ السائل على الأداء على فترات طويلة، مع حدوث تغيرات طفيفة في درجات الحرارة بين المصدر والاستخدام النهائي، كما أن نفس السائل قد يكون أيضاً وسيطاً للتخزين الحراري، مما يسمح بعزل الحرارة في أوقات الذروة المطلوبة.
آخر التطورات في تكنولوجيات فرقة العمل المعنية بالتنفيذ في مجال مكافحة الإرهاب
وقد أسفرت البحوث والتطوير خلال السنوات الخمس إلى العشر الأخيرة عن عدة فصول واعدة من فرقة العمل المعنية بالتنفيذ في مجال مكافحة الإرهاب تعالج مواطن الضعف الرئيسية للسوائل التقليدية، وفيما يليها نناقش ثلاث فئات رئيسية هي: السوائل القائمة على السيليكون، وأملاح الغليون، والفلوريد، إلى جانب ابتكارات أخرى مثل ثاني أكسيد الكربون الفائق الأهمية، والسائل الأيوني.
(سيليكون) (فلويدز)
وقد اكتسبت سوائل السيليكون - ولا سيما مركبات الإيثيل الثنائي الفينيل المتعدد الكلور وغيرها من مركبات النسيج العضوي - اهتماماً باستقرارها الحراري الاستثنائي وعدم تعرضها للكيماويات، وعلى عكس الزيوت الهيدروكربونية التقليدية، فإن السيليكونات لا تُسد بسهولة أو تُنخفض عند درجات الحرارة حتى 300 درجة مئوية أو أعلى، كما أن ضغطها المنخفض من البخار يقلل من خطر حدوث خسائر مسببة للبردات.
غير أن السيليكونات أكثر تكلفة من الزيوت التقليدية، وأن سلوكها الحراري منخفض نسبيا - وهو عيب يمكن التخفيف منه بإضافة مشغلات وسلوكية أو باستخدام تركيبات ناو فلوريدية (المناقشة أدناه) وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن تُغلق سوائل السيليكون بعناية لمنع حدوث تجاوزات في الرطوبة، مما قد يسبب تحللاً هيدروياً وفقداناً للأداء.
Molten Salts
وقد استخدمت أملاح متنقلة، مثل الخلائط القائمة على النيترات (مثل الملح الشمسي - 60 في المائة من النانو3 و40 في المائة من النانوغرامات الكلوريدية) والتركيبات القائمة على الكلوريد، منذ عقود في الطاقة الشمسية المركزة ويجري تكييفها الآن من أجل التطبيقات الحرارية الأرضية، وقدرتها العالية على البقاء سائلة عند درجات الحرارة التي تتجاوز 400 درجة مئوية، مما يجعلها مثالية للنقل الحراري المدمج والتخزين الحراري.
وبالنسبة للاستخدام الحراري الأرضي، تتمثل التحديات الرئيسية في التآكل - لا سيما بأملاح الكلوريد - ونقطة الانصهار العالية (التي تتجاوز في الغالب 220 درجة مئوية)، التي تتطلب تسخيناً في الأنابيب والدبابات لمنع الترسيب، وتركز التطورات الأخيرة على خلائط الملح البديلة أو الرباعية التي تقلل من نقطة الانصهار مع الحفاظ على الاستقرار الحراري، مثل التركيبات غير المحتوية على السعرات الحرارية التي تقل عن 130
نانوفلويدات
كما أن السائل النانوي هو سوائل نقل الحرارة التقليدية )المياه، والزيوت، بل وحتى الملح المرطوبة( التي تعطل فيها الجسيمات النانوية - عادة الأكسيدات الفلزية )ألف٢ - ٣، كوو(، أو الأنسب الكربونية )الغرافية، أو النانووبات الحرارية الكربونية(، أو الخزف - تعطل بصورة ثابتة عند تركيزات منخفضة )عادة ما تكون نسبة ١,٠ في المائة إلى ٢ في المائة في الحجم(.
وقد أظهرت الدراسات المختبرية أن السائل النانوي يحافظ على ممتلكاته المعززة حتى بعد التقلب الحراري المتكرر، وإن كان الاستقرار الطويل الأجل - منع التكتل والرواسب - لا يزال شاغلا، كما أن التشغيل السطحي للجسيمات النانوية ذات المفاعلات السطحية أو المعاطف المتعددة الأطراف يمكن أن يحسن التشت، ولكن هذه المواد المضافة قد تتحلل عند درجات حرارة عالية.
ديوكسيد الكربون الرئوي (الثاني أكسيد الكربون)
(ب) يبرز ثاني أكسيد الكربون الفائق الأهمية (ثاني أكسيد الكربون عند درجات الحرارة والضغوط فوق درجة الـ 31 مئوية و73.8 بار) كبديل واعد لفرقة العمل الرفيعة وسوائل العمل لنظم الحرارة الأرضية العالية الحرارة، ولأن ثاني أكسيد الكربون لديه كثافة عالية ودرجة منخفضة من الازدياد، فإنه يمكن أن يضخ بمزيد من الكفاءة من البخار، وقدرته على التسخين إلى درجات حرارة عالية جداً (بين 500 درجة مئوية) دون تغيير تدريجي.
ويجري حالياً تطوير عدة دورات تجريبية من نوع " ثاني أكسيد الكربون " ، حيث تقوم وزارة الطاقة بتمويل مشاريع تجريبية مثل برنامج الطاقة الحرارية في الغيوم () ((Geothermal Energy Program) وتشمل العقبات الرئيسية الحاجة إلى مكثفات عالية التخصص ومبادلات حرارية قادرة على تحمل الضغط العالي، ومع ذلك، فإن التراكم في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون يقترن مع الماء.
السائل الأيونيك
وقد تم التحقيق في السوائل الأيونية - وهي أملاح سائلة عند درجة حرارة الغرفة أو قربها - بوصفها صناديق تعمل بالطاقة الحرارية الأرضية بسبب ضغطها غير القابل للذوبان، وارتفاع الاستقرار الحراري (التي تتجاوز غالبا 300 درجة مئوية)، والكيمياء غير القابلة للتجزئة، ومن خلال اختيار المقابر والأيون المناسبة، يمكن للباحثين أن يصمموا أجهزة إيل لنقطة الانصهار المنخفضة، وارتفاع القدرة على تصريف المياه، والحد الأدنى من التراكم.
ورغم هذه المزايا، فإن ارتفاع تكلفة توليف السوائل الأيوني العالية النقاء وعدم التيقن فيما يتعلق بمصيرها البيئي قد أبطأ من الاعتماد التجاري، إذ أن الدراسات الأخيرة تركز على المذيبات الحيوية أو العميقة - وهي فئة ذات صلة من السوائل - وهي أكثر تكلفة وأكثر قابلية للتحلل الأحيائي، ولا تظهر إلا نتائج واعدة من حيث الارتداد إلى درجة الحرارة الأرضية المتوسطة.
التحديات: الكوروسيون والاستقرار والآثار البيئية
وفي حين أن الفصول الجديدة لفرقة العمل المعنية بالتنفيذ في مجال إزالة الغابات توفر تحسينات كبيرة، فإنها تطرح أيضاً مجموعة من التحديات التي يجب حلها قبل أن يتسنى نشر الطاقة الحرارية الأرضية على نطاق واسع.
تصوّر عالي التناغم
إن تآكل الأغراق والرق والعاملات الحرارية هو أحد أهم المشاكل، إذ أن الجمع بين درجة الحرارة العالية، وأملاح مذوبة أو حمضات، وأحيانا وجود H2S أو CO2 يمكن أن يعجل معدلات التآكل إلى مستويات غير مقبولة، ولا سيما أملاح الكلوريد المتحركة، تعد عدوانية على معظم السكك الحديدية ما لم تكن مستويات الأكسجين خاضعة للرقابة الصارمة.
وبالنسبة للثدييات النانوية، يمكن أن تعمل الجسيمات النانوية نفسها أحياناً كجسيمات مُغطاة، وزيادة التآكل في النحاس والصمامات، والاختيار الدقيق لمورفيولوجيا الجسيمات (اللوحة المُنقَّحة) واستخدام الجسيمات القابلة للتشهير قد يخفف من هذا الخطر، وفي حالة الأشعة السيكولوجية (CCO2)، فإن وجود الماء يؤدي إلى تلازم أحماض الكربون (50).
الاستقرار الحراري والأداء الطويل الأجل
وحتى أفضل السوائل تتحلل بمرور الوقت عندما تتعرض لدرجات حرارة عالية مستمرة، مما يؤدي إلى تكوين الودائع (الفولينغ)، وتغيرات في النسيج، وفقدان الأداء الحراري، وبالنسبة لسوائل السيليكون، فإن آلية التحلل الرئيسية هي الأكسدة، التي يمكن أن تبطأ بالعمل تحت غطاء غازي غير حراري، ويمكن أن تخضع الملح المزود باليدونات للتحلل الحراري إذا كانت زائدة عن الحد الأقصى من السائل.
وتواجه الناولين مشاكل تتعلق بالاستقرار: فخلال أشهر أو سنوات من التشغيل، قد تتجمع الجسيمات النانوية في مجموعات أكبر تستقر أو تستنسخ ممرات ضيقة من التدفق، ويمكن للتعديلات السطحية واستخدام الاستقرار الكهروستاني أن تحسن فترة التوقف عن العمل، ولكن ليس هناك حل عالمي للطائفة الواسعة من درجات الحرارة وظروف الكيمياء التي توجد في مكامن الحرارة الأرضية.
الشواغل البيئية والتنظيمية
ويجب إدارة جميع الصناديق الاستئمانية ذات الصلة في نهاية حياتها، إذ أن الزيوت الاصطناعية التقليدية تثير قضايا السمية والتصريف، في حين أن بعض السوائل الأيونية أظهرت سمية إيكولوجية في الكائنات المائية، وأن الملح المتحرك أقل ضرراً عموماً، ولكن الإطلاقات العرضية في البيئة يمكن أن تسبب تذبذب التربة والمياه، وقد لا يزال ثاني أكسيد الكربون، إذا ما استُولِمت من مصادر صناعية، يحتوي على أوجه قصور في معالجة النفايات.
وعلاوة على ذلك، يمكن أن يكون إنتاج السوائل الجديدة - ولا سيما السائل النانوي والسائل الأيون - كثيفا للطاقة، مما قد يلحق الضرر ببعض الفوائد المناخية، وتتجه الصناعة نحو طرق التوليفي الأخضر، مثل استخدام السلائف القائمة على البيولوجي للسائل الأيوني وإعادة تدوير الجسيمات النانوية من السوائل المستنفدة.
توجيهات البحوث المستقبلية
ولفتح كامل إمكانات الطاقة الحرارية الأرضية العالية الحرارة، سيتعين تصميم الجيل القادم من الصناديق الاستئمانية الرفيعة المستوى بحيث يلائم ظروفاً معينة للمستودعات مع التقليل من التكلفة والارتفاع البيئي، وهناك عدة طرق بحثية واعدة آخذة في الظهور.
نظم فلويد الهجينة
فجمع مواطن القوة لدى مختلف الصناديق الاستئمانية HTFs - مثلاً باستخدام حلقة ملح متحركة للتخزين الحراري وثغرة من طراز SCO2 لتوليد الطاقة - يمكن أن يؤدي إلى تحقيق الأداء العام للنباتات، كما أن نظم المراقبة المتقدمة ستدير التفاعلات بين الحلقتين، والتوازن بين استخراج الحرارة، والتخزين، والتوليد، ويجري استكشاف هذه التشكيلات الهجينة في النباتات الهجينة الحرارية التابعة لبرنامج دعم البرامج، وفي أوائل عام 2020.
النمذجة الحاسوبية المتقدمة
وتتسارع عمليات المحاكاة والتعلم الآلي في اكتشاف تركيبات جديدة للسوائل، وبدلاً من إجراء التجارب، يمكن للباحثين أن يفحصوا آلاف من التركيبات المحتملة المذيبة للجسيمات النانوية من أجل السلوك الحراري، والقابلية، ودرجة حرارة التحلل، كما أن مجموعات البيانات من نماذج " بوابة البحوث الحرارية الأرضية " (FLT:0) توفر أيضاً نماذج للتنبؤات الحرارية الأرضية.
المظاهر الميدانية والتوحيد القياسي
وفي حين أن النتائج المختبرية واعدة، فإن البيئة العالمية الحقيقية مع الضغوط العالية التي تتعرض لها، والكيمياء الجيولوجية التفاعلية، وتكوين الكيمياء الأحيائية (لدورات التمرينية الدنيا) يمكن أن تؤدي إلى إخفاقات غير متوقعة، إذ أن مشاريع التظاهر القائمة على الصناعة، التي كثيرا ما تكون في شراكة مع المختبرات الوطنية، ضرورية للتحقق من أداء فرق العمل الرفيعة المستوى على مدى فترات متعددة السنوات، ومن شأن توحيد أساليب الاختبار وبروتوكولات الإبلاغ أن يساعد على مقارنة مختلف تكنولوجيات السوائل وبناء الثقة بين المستثمرين والمستثمرين.
التكامل مع تكنولوجيات الطاقة الحرارية الأرضية الناشئة
ونظراً لأن تكنولوجيا الحرارة الأرضية تتوسع إلى ما هو أبعد من الطاقة الحرارية المائية التقليدية لتشمل النظم الإيكولوجية، والجهاز المغلق (النظم الحرارية الأرضية المتطورة)، وموارد الصخور الخارقة (نحو 370 درجة مئوية)، فإن المطالب على وحدات خفض الانبعاثات البشرية ستزداد بشكل كبير، وبالنسبة للروك الساخنة، قد تظل السوائل بحاجة إلى البقاء على درجات حرارة تبلغ 400 إلى 600 درجة مئوية، مع توفير نقل حراري فعال.
خاتمة
إن التقدم في سوائل نقل الحرارة أمر أساسي لتوسيع الطاقة الحرارية الأرضية العالية الحرارة، ومن الزيوت التي تعتمد على السليكون وأملاح السائلة إلى السائل النانوي وثاني أكسيد الكربون الفائق الأهمية، فإن كل تكنولوجيا توفر فوائد فريدة وتواجه تحديات متميزة، ومسار البحث واضح: فالسوائل يجب أن تصبح أكثر اتساما بالحرارة، وأقل تآكلا، وأكثر استدامة، وأكثر تماسكا بيئيا.